SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口腐蝕關(guān)鍵水質(zhì)影響因素

賈 蘭， 楊振森， 劉興華， 肖海剛， 黃萬啟， 張洪博

(1. 國能寧東第二發(fā)電有限公司， 寧夏 銀川 750000； 2. 西安熱工研究院有限公司， 陜西 西安 710054)

0 前 言

SCAL 型間冷系統(tǒng)已成為我國北方地區(qū)新建火電機(jī)組的主力機(jī)型[1-4]，該機(jī)組散熱器采用1050A 純鋁制成，運(yùn)行中循環(huán)水流經(jīng)壁厚1 mm 的鋁管，鋁管外包裹有鋁制翅片，通過空氣對(duì)循環(huán)水進(jìn)行冷卻。 系統(tǒng)運(yùn)行過程中，散熱器鋁管管口的腐蝕問題一直困擾該類型間冷系統(tǒng)[5-9]。 趙長江[5]、李靜平等[7]、彭曉軍[10]、湯自強(qiáng)等___[11]分別報(bào)道了這一現(xiàn)象，部分學(xué)者認(rèn)為純鋁制成的散熱器與碳鋼管道之間存在電連接，會(huì)引發(fā)碳鋼和純鋁之間的電偶腐蝕，導(dǎo)致鋁管管口腐蝕加速；也有部分學(xué)者認(rèn)為是由沖刷腐蝕導(dǎo)致的，該位置的腐蝕類型目前尚無定論。

該機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)采用除鹽水作為補(bǔ)充水，但是在運(yùn)行過程中常出現(xiàn)pH 值異常升高和懸浮物增多的現(xiàn)象，這都可能對(duì)材料腐蝕產(chǎn)生不利影響[11-14]。 散熱器結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和運(yùn)行工況均根據(jù)機(jī)組散熱需求而設(shè)定，對(duì)于電廠化學(xué)運(yùn)行人員而言，這些參數(shù)均無法調(diào)整和優(yōu)化。 化學(xué)運(yùn)行人員僅能通過對(duì)循環(huán)水水質(zhì)的監(jiān)測(cè)和調(diào)整減緩材料腐蝕。 但是鋁管管口腐蝕與這些水質(zhì)異?，F(xiàn)象之間是否有直接關(guān)聯(lián)尚不清楚[10，15-17]，運(yùn)行人員在散熱器腐蝕防護(hù)時(shí)無理論依據(jù)參考，防腐存在盲目性。

本工作旨在闡明SCAL 型間冷系統(tǒng)鋁管管口的腐蝕類型，研究水質(zhì)異常現(xiàn)象對(duì)管口腐蝕的加速作用，為電廠化學(xué)運(yùn)行人員提供指導(dǎo)。 為了闡明這些問題，本工作通過對(duì)該類型間冷系統(tǒng)散熱器結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，總結(jié)管口發(fā)生腐蝕的鋁管分布位置規(guī)律，觀察管口腐蝕形貌；通過X 射線衍射光譜(XRD)分析循環(huán)水中懸濁物成分，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)，最終闡明了SCAL 型間冷系統(tǒng)冷卻三角鋁管端口腐蝕類型及其關(guān)鍵水質(zhì)影響因素。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)使用SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器備品鋁管作為試驗(yàn)材料，依據(jù)GB/T 20975.25-2008 對(duì)其材質(zhì)進(jìn)行分析，結(jié)果如表1 所示。 試驗(yàn)鋁管符合1050A純鋁材質(zhì)要求。

表1 試驗(yàn)用鋁管化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Table 1 Chemical compositions of pure aluminum studied (mass fraction) %

1.2 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

為了分析SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口腐蝕規(guī)律，對(duì)3 家使用該類型機(jī)組的發(fā)電廠(A 廠、B 廠和C廠)散熱器鋁管管口腐蝕情況進(jìn)行檢查，重點(diǎn)觀察和分析散熱器鋁管管口腐蝕情況、管口腐蝕形貌、腐蝕與集水箱結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，同時(shí)對(duì)該類型發(fā)電廠常見的水質(zhì)異?，F(xiàn)象進(jìn)行調(diào)研。

1.3 材料表征

使用INSPECT F50 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察管口表面微觀腐蝕形貌。 使用Rigaku-D/max 2000PC 衍射儀進(jìn)行XRD 測(cè)試，分析懸浮物物相。XRD 測(cè)試靶材為銅靶，電流300 mA，電壓50 kV，測(cè)試角度為5°～55°，步長為0.02°，掃描速度4 (°)/min，連續(xù)掃描采集數(shù)據(jù)。

1.4 實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)

為了對(duì)比高懸浮物和高pH 值2 種水質(zhì)異?，F(xiàn)象對(duì)鋁管管口腐蝕行為的影響，在實(shí)驗(yàn)室利用如圖1 所示的裝置進(jìn)行模擬試驗(yàn)。 模擬裝置中沖刷模擬組件以SCAL 型間冷系統(tǒng)鋁管備件作為試驗(yàn)樣品，模擬組件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參考現(xiàn)場(chǎng)鋁管使用環(huán)境設(shè)計(jì)，能夠更加真實(shí)地模擬出系統(tǒng)運(yùn)行期間鋁管管口位置的水流流態(tài)，水流以45°的角度沖刷鋁管管口位置，該裝置用于研究45°方向沖刷條件下鋁管的腐蝕行為。

圖1 實(shí)驗(yàn)室沖刷腐蝕模擬裝置示意圖Fig. 1 Schematic diagram of laboratory erosion simulation device

模擬試驗(yàn)參考現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行流速，鋁管內(nèi)循環(huán)水流量控制在2.2 t/h(流速為1.5 m/s)。 試驗(yàn)過程中使用氨水調(diào)節(jié)試驗(yàn)?zāi)M液pH 值，通過添加分析純Fe3O4粉末模擬循環(huán)水中的懸浮物。

2 結(jié)果與討論

2.1 SCAL 型間冷散熱器結(jié)構(gòu)分析

SCAL 型間接空冷系統(tǒng)采用表面式凝汽器，散熱器采用垂直方式布置，系統(tǒng)主要構(gòu)成及材料組成情況如圖2 所示。 系統(tǒng)運(yùn)行過程中循環(huán)水進(jìn)入表面式凝汽器的水側(cè)通過表面換熱，受熱后的循環(huán)水由循環(huán)水泵送至間冷塔，通過空冷散熱器與空氣進(jìn)行表面換熱，冷卻后再返回凝汽器冷卻汽輪機(jī)排汽，構(gòu)成了閉式循環(huán)。系統(tǒng)中空冷散熱器由底部集水箱、鋁管管束和頂部集水箱構(gòu)成，材質(zhì)全部為1050A 純鋁，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。 鋁管管束共4 排，其中兩排鋁管中水流方向朝上，本文中稱為上水鋁管，兩排鋁管中水流方向朝下，本文中稱為下水鋁管，如圖3b 所示，每排鋁管有40根。 循環(huán)水管道和地下水箱等均采用Q235B 制作。

圖2 SCAL 型間冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of SCAL indirect air-cooling system

圖3 空冷散熱器基本結(jié)構(gòu)及材質(zhì)示意圖Fig. 3 Schematic diagram of basic structure and materials for air-cooling radiator

底部集水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示，底部集水箱分熱水側(cè)(進(jìn)水側(cè))和冷水側(cè)(出水側(cè))，中間用隔板分開。 底部集水箱進(jìn)水側(cè)的作用是將管道輸送來的循環(huán)水分布到鋁管管束中的兩排上水鋁管，循環(huán)水冷卻后，經(jīng)頂部集水箱折返向下，流經(jīng)兩排下水鋁管繼續(xù)冷卻，下水鋁管中的水再由底部集水箱出水測(cè)匯集后流入循環(huán)水管道，完成整個(gè)散熱冷卻過程。 底部集水箱進(jìn)水口有一半被擋板遮擋(如圖4c 所示)，部分水流受到擋板遮擋而改變流向，水流沿著進(jìn)水口上方的變徑進(jìn)入集水箱進(jìn)水側(cè)，變徑的延長線正對(duì)9 號(hào)和16 號(hào)鋁管， 17 號(hào)和18 號(hào)鋁管位置與進(jìn)水管出口處夾角在45°附近(如圖4b 所示)。 鋁管管束與底部集水箱的連接位置局部示意圖如圖5 所示，集水箱和鋁管之間隔有橡膠密封圈，防止兩者硬接觸，而后通過下集水箱外的勒條將三者壓緊，起到密封作用。 鋁管管口發(fā)生腐蝕后，一旦鋁管管口破損超過密封圈，循環(huán)水就會(huì)向外泄漏。

圖4 底部集水箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Schematic diagram for interior structure of bottom collecting tank

圖5 SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口局部結(jié)構(gòu)Fig. 5 Local structure of the aluminum pipe orifice in the radiator of SCAL indirect air-cooling system

2.2 鋁管管口腐蝕情況現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果

本研究調(diào)研了A 、B、C 3 家使用SCAL 型間冷系統(tǒng)且機(jī)組容量相同的電廠，3 家電廠的投運(yùn)時(shí)長較為接近，而且散熱器材質(zhì)、生產(chǎn)工藝以及結(jié)構(gòu)基本相同，檢查結(jié)果表明3 家電廠的散熱器某些鋁管的管口均存在不同程度的腐蝕現(xiàn)象。 發(fā)生管口腐蝕現(xiàn)象的鋁管均分布于底部集水箱入口兩側(cè)附近，3 家電廠的第17、18 根鋁管管口腐蝕均相對(duì)其他位置鋁管管口更嚴(yán)重，距離進(jìn)水口較遠(yuǎn)的鋁管管口無明顯腐蝕現(xiàn)象，管口存在腐蝕的鋁管相對(duì)分布位置關(guān)系如圖6 所示。 由此可見，散熱器中鋁管管口腐蝕均發(fā)生在迎水流方向或水流方向改變較大的部位，與循環(huán)水流向具有顯著的關(guān)聯(lián)性；3 家電廠第17 號(hào)、18 號(hào)和38 號(hào)鋁管管口的宏觀形貌對(duì)比情況如圖7 所示，可以看出B 廠的腐蝕現(xiàn)象較嚴(yán)重，A 廠腐蝕現(xiàn)象較輕。

圖6 散熱器中管口腐蝕鋁管的相對(duì)位置關(guān)系Fig. 6 The relative position of corroded aluminum tube in the radiator

圖7 散熱器鋁管管口腐蝕情況對(duì)比Fig. 7 Corrosion comparison of radiator aluminum pipe orifice

為了進(jìn)一步分析鋁管管口的腐蝕環(huán)境，對(duì)散熱器底部集水箱與碳鋼管道連接部位基本結(jié)構(gòu)及腐蝕情況進(jìn)行分析，其基本結(jié)構(gòu)如圖8 所示。 碳鋼輸水管道與鋁制集水箱之間使用不銹鋼膨脹節(jié)連接，并且碳鋼法蘭、不銹鋼膨脹節(jié)和鋁制集水箱底部之間均有絕緣墊片，連接螺栓均有絕緣套筒，3 種金屬之間并未電連接，間冷循環(huán)水電導(dǎo)率普遍＜5 μS/cm，導(dǎo)電能力較差，該位置不存在電偶腐蝕的基本條件；而且電偶腐蝕一般影響區(qū)域?yàn)榻佑|區(qū)附近，從圖4c 可以看出鋁制集水箱進(jìn)水口與不銹鋼膨脹節(jié)距離最近的位置并未發(fā)生明顯腐蝕現(xiàn)象。 綜上，SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口腐蝕不是由電偶腐蝕導(dǎo)致的。

圖8 散熱器底部集水箱與碳鋼管道連接部位基本結(jié)構(gòu)及腐蝕情況Fig. 8 Basic structure and corrosion of the connection part between the bottom of radiator collecting tank and carbon steel pipe

對(duì)B 廠散熱器第17 根鋁管管口位置取樣，進(jìn)行微觀腐蝕形貌分析，結(jié)果如圖9 所示。 圖9a～9d 分別展示了4 處鋁管管口腐蝕區(qū)域的形貌。 從圖中可以看出，腐蝕形貌呈現(xiàn)凹谷、淚滴狀和馬蹄狀，具有典型的沖刷腐蝕的特征。 結(jié)合散熱器腐蝕鋁管分布規(guī)律及異種金屬接觸情況的分析，SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口腐蝕屬于沖刷腐蝕。

圖9 鋁管管口破損區(qū)域坑底表面微觀形貌Fig. 9 Microstructure of bottom surface of damaged area of aluminum pipe orifice

2.3 SCAL 型間冷系統(tǒng)常見水質(zhì)問題分析

沖刷腐蝕[11]是機(jī)械沖刷和電化學(xué)腐蝕交互作用的結(jié)果，該種類型的腐蝕受到材質(zhì)本身的耐蝕性、水流流態(tài)和循環(huán)水水質(zhì)。 SCAL 型間冷系統(tǒng)為了滿足其散熱功能，散熱器材質(zhì)均選擇1050A 純鋁，散熱器結(jié)構(gòu)、尺寸和生產(chǎn)工藝基本相同。 為了滿足機(jī)組蒸汽冷凝的需要，同等發(fā)電容量機(jī)組的間冷循環(huán)水的流量也基本相同。 散熱器底部集水箱的特殊結(jié)構(gòu)使得在相同水質(zhì)條件下散熱器不同位置的鋁管管口呈現(xiàn)出不同的腐蝕速率。 這些因素是沖刷腐蝕的重要影響因素，但是對(duì)于已經(jīng)建成的機(jī)組這些因素已經(jīng)難以改變，電廠化學(xué)運(yùn)行人員無法對(duì)這些影響因素進(jìn)行控制和干預(yù)。

在調(diào)查中也發(fā)現(xiàn)，3 家使用SCAL 型間冷系統(tǒng)的電廠，在材料和水流流態(tài)基本相同的情況下，3 家鋁管管口腐蝕的嚴(yán)重程度有明顯差異，這說明不同機(jī)組的循環(huán)水水質(zhì)能夠?qū)_刷腐蝕的發(fā)展產(chǎn)生一定影響。 闡明關(guān)鍵的水質(zhì)影響因素能夠?yàn)殡姀S化學(xué)運(yùn)行人員提供指導(dǎo)，減緩甚至避免散熱器管口發(fā)生腐蝕和泄漏現(xiàn)象，對(duì)于已經(jīng)建成投運(yùn)的SCAL 型電廠更具現(xiàn)實(shí)意義。

SCAL 型間冷系統(tǒng)使用除鹽水做補(bǔ)充水，運(yùn)行過程為密閉循環(huán)，運(yùn)行過程中循環(huán)水中雖然存在雜質(zhì)離子但是一般不大于1 mg/L。 該類型間冷系統(tǒng)運(yùn)行過程中常存在的水質(zhì)問題是水中懸浮物偏高和pH 值異常升高，A、B、C 3 家電廠運(yùn)行過程中均出現(xiàn)過類似的水質(zhì)問題，但是出現(xiàn)水質(zhì)異常的時(shí)間及嚴(yán)重程度均不相同，難以比較。 本研究中通過實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)的方式就循環(huán)水懸浮物高和pH 值異常升高2 項(xiàng)水質(zhì)因素對(duì)鋁管管口沖刷腐蝕的加速作用進(jìn)行研究。

為了闡明SCAL 型間冷系統(tǒng)中懸浮物主要成分和來源，本研究中采用0.45 μm 濾膜對(duì)B 廠間冷循環(huán)水進(jìn)行過濾，在40 ℃烘干后得到懸浮物的粉末樣品，通過XRD 分析該懸浮物的成分如圖10 所示。 在過濾過程中測(cè)量了間冷循環(huán)水中懸浮物含量，結(jié)果為15.78 mg/L。 XRD 結(jié)果表明懸浮物的主要成分為鐵的氧化物γ-FeOOH(約占57%)和Fe3O4(約占43%)。

圖10 間冷系統(tǒng)循環(huán)水中懸浮物的XRD 測(cè)試結(jié)果Fig. 10 Suspended solids in circulating water of intercooling system and XRD test results

大部分間冷系統(tǒng)碳鋼內(nèi)表面未做防腐處理，觀察間冷系統(tǒng)地下水箱人孔內(nèi)壁形貌和間冷系統(tǒng)循環(huán)水管道內(nèi)壁形貌可以看出，碳鋼表面附著有橘黃色的腐蝕產(chǎn)物，因此判斷循環(huán)水中鐵氧化物主要來源于碳鋼管道、水箱內(nèi)壁的腐蝕，水中懸浮物主要是碳鋼管道腐蝕脫落形成的。

SCAL 型間冷系統(tǒng)運(yùn)行過程中普遍存在pH 值異常升高現(xiàn)象，中性的循環(huán)水pH 可逐漸升高至8.5，部分機(jī)組最高可達(dá)9.5[15]。

2.4 實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)

本研究中分別進(jìn)行高pH 值低懸浮物條件和高懸浮物中性pH 值條件下的沖刷腐蝕模擬試驗(yàn)，通過對(duì)比2 種試驗(yàn)條件下鋁管腐蝕情況闡明加速鋁管管口沖刷腐蝕的關(guān)鍵水質(zhì)因素。

為了模擬高pH 值條件下鋁管管口腐蝕情況，本研究中使用分析純氨水調(diào)節(jié)循環(huán)水pH 值至9.50±0.15，水質(zhì)參數(shù)見表2。 模擬試驗(yàn)進(jìn)行8 d 后，將裝置中鋁管取出，觀察管口的腐蝕情況。 鋁管管口端面宏觀腐蝕形貌如圖11 所示。

圖11 高pH 值無懸浮物條件下模擬試驗(yàn)結(jié)果Fig. 11 Simulated experiment results with high pH and without suspended solids

表2 模擬試驗(yàn)循環(huán)水水質(zhì)參數(shù)Table 2 Simulation test circulating water quality parameters

從圖中可以看出，在45°水流沖刷模擬試驗(yàn)后，鋁管管口的迎水面內(nèi)壁出現(xiàn)了明顯的腐蝕坑，鋁管邊緣也出現(xiàn)了缺口。

模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，在pH ＝9.5 的條件下，即使用循環(huán)水中懸浮物很少，高pH 值與水流沖刷協(xié)同作用也能夠?qū)е落X管快速腐蝕。

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，間冷循環(huán)水中懸浮物主要包括γ-FeOOH和Fe3O4，其中γ-FeOOH 屬于膠體類物質(zhì)，硬度較低[18-20]，而Fe3O4固體硬度較大[21]，理論上硬度更大的Fe3O4對(duì)沖刷腐蝕影響更大。 模擬試驗(yàn)中將Fe3O4粉末加入模擬裝置中，為了加速試驗(yàn)效果，試驗(yàn)過程中將懸浮物濃度調(diào)節(jié)為150 mg/L，試驗(yàn)過程中不調(diào)控pH值(實(shí)測(cè)值為7.2～7.4)，其他運(yùn)行參數(shù)均與高pH 值無懸浮物條件時(shí)相同。 模擬試驗(yàn)運(yùn)行8 d 后將鋁管取出，鋁管管口形貌如圖12 所示。從圖中可以看出，鋁管管口邊緣整齊，無任何缺口或腐蝕現(xiàn)象。 通過對(duì)比可知，在相同的試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)間下，高pH 低懸浮物的水質(zhì)條件對(duì)鋁管管口沖刷腐蝕的加速作用更強(qiáng)，在極端條件下pH 值異常升高至9.5 后可導(dǎo)致鋁管管口在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生破壞性腐蝕。

圖12 高懸浮物正常pH 條件下腐蝕模擬試驗(yàn)結(jié)果Fig. 12 Simulated results with high suspended matter content and normal pH

2.5 SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口腐蝕機(jī)理分析

根據(jù)本研究中現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)結(jié)果對(duì)SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口腐蝕機(jī)理分析如下:散熱器下集水箱特殊的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致集水箱進(jìn)水管口上方左右兩側(cè)的鋁管受到較強(qiáng)烈的水流沖擊，會(huì)發(fā)生沖刷腐蝕(如圖13a 所示)。 系統(tǒng)運(yùn)行期間，循環(huán)水中的懸浮物，主要是鐵的腐蝕產(chǎn)物，對(duì)沖刷腐蝕有一定的加速作用(如圖13b 所示)。 循環(huán)水pH 值升高至9.5 左右時(shí)，鋁管以及鋁管表面氧化膜在較強(qiáng)的堿性溶液中發(fā)生腐蝕溶解，高pH 值不僅破壞了鋁管表面原有的鈍化膜，同時(shí)阻止了在鋁管表面形成新的鈍化膜，因此循環(huán)水pH 值異常升高對(duì)于鋁管管口沖刷腐蝕的加速作用更強(qiáng)，具有更強(qiáng)的破壞性(如圖13c 所示)。 在水流沖擊和高pH 值的協(xié)同作用下，特定位置的鋁管管口可發(fā)生較快的腐蝕破壞(如圖13d 所示)。

圖13 間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口快速腐蝕機(jī)理示意圖Fig. 13 Schematic diagram of the corrosion mechanism of radiator aluminum pipe orifice in indirect air-cooling system

3 結(jié) 論

對(duì)SCAL 型間冷系統(tǒng)散熱器鋁管管口腐蝕問題展開研究，結(jié)果表明散熱器中鋁管管口腐蝕均發(fā)生在迎水流方向或水流方向改變較大的部位，與流向具有顯著的關(guān)聯(lián)性，且微觀形貌呈現(xiàn)沖刷腐蝕特征，該位置腐蝕類型為沖刷腐蝕。 在SCAL 型間冷系統(tǒng)常見的水質(zhì)異常條件中，pH 值異常升高對(duì)鋁管管口的加速作用更高， 循環(huán)水pH 值升高至9.5 后對(duì)鋁管管口具有較強(qiáng)的破壞性，可在短時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致鋁管管口位置發(fā)生腐蝕破壞，加速管口沖刷腐蝕的關(guān)鍵水質(zhì)影響因素。 在SCAL型間冷系統(tǒng)運(yùn)行過程中，運(yùn)行人員應(yīng)按時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)水pH 值，必要時(shí)可通入酸性氣體(如CO2)或陽床處理降低及時(shí)降低循環(huán)水pH 值。